基于单个双驱动调制器的三维调制超宽带信号的产生方法

摘要

一种通信技术领域的基于单个双驱动调制器的三维调制超宽带信号的产生方法，首先由脉冲信号源产生四路数据脉冲信号，每路数据脉冲信号经过预编码处理使得第一数据脉冲信号和第三数据脉冲信号的电压幅度高于第二数据脉冲信号和第四数据脉冲信号的电压幅度；然后分别将第一数据脉冲信号和第二数据脉冲信号进行叠加、将第三数据脉冲信号和第四数据脉冲信号进行叠加并形成两组叠加信号；然后将叠加信号分别经过放大后及相位偏置处理后加载至双驱动马赫-曾德尔调制器的两端，使得双驱动马赫-曾德尔调制器输出相干叠加后的三个维度的UWB信号。本发明能够有效的提升系统的带宽和产生UWB信号的维度。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种通信技术领域的方法，具体是一种利用单个双驱动马赫-曾德尔调制器（Dual-drive Mach–Zehnder Modulator,DDMZM）产生高速的三维调制超宽带信号（Ultra wideband，UWB）的方法。 

背景技术

无线通信系统给现代社会带了很多便利，电话，电视，无线保真（Wireless-fidelity,Wi-Fi）,全球定位技术（Global Position System，GPS）等技术都对人们的生活影响巨大，可以说人类今天已经无法离开无线通信。与此同时超宽带信号（Ultra wideband，UWB）作为一种无线通讯技术被广泛研究，主要由于它有诸多优势：与其它无线通信系统的共存，高带宽，低功率谱密度等。随着各种无线业务带宽的增加，系统的带宽需求逐渐增大，因此产生高速的UWB信号成为一个人们的研究方向，通过光子学的技术产生并传输UWB信号可以有效提高系统的带宽和传输距离，同时降低产生的复杂度，因此需要通过光子学的技术来产生高速的UWB数据。 

UWB信号的光子产生技术，主要是通过各种光电转换的技术，将电域上的低速高斯信号调制到光域，同时通过各种全光技术产生一个反向的能量信号，在时域上错开后可以得到相应的UWB波形和信号。要产生UWB信号可以采用多种技术，将一个10GHz低重复率的类高斯脉冲通过色散传输可以有效的减少射频（Radio frequency，RF）信号低频的能量，从而使输出的信号满足UWB信号的频谱需求。然而现有的UWB信号大多数是低速的UWB信号，同时大多数的信号都是在同一个维度，包括UWB脉冲的相位调制，幅度调制，脉冲形状调制，脉冲强度调制，脉冲位置调制等技术。因此如何通过简便的方法来产生高速的，多个维度的UWB信号称为一种挑战。 

经过对现有技术的检索发现，2006年Photonics Technology Letter第18卷19期的论文：Fei Zeng and Jianping Yao,“Ultra wideband impulse radio signal generation using a high-speed electrooptic phase modulator and a fiber-Bragg-grating-based frequency discriminator,”加拿大渥太华大学的姚建平等人提出，将低重复率的类高斯脉冲串，通过电光调制技术得到相应为相位信号，接着将相位调制信号波长放置在光纤布拉格光栅(FBG)的滤波上升沿和下降沿，根据鉴频技术的原理，可以产生两种或者多种不同波形的UWB信号，但是在同一个时刻只能产生一种波形，要产生不同波形信号间的切换需要调节光载波的中心波长。 

进一步检索发现，2009年Optics Letters第31卷21期的论文：Qing Wang,Fei Zeng, Sebastien Blais,and Jianping Yao“Optical UWB monocycle pulse generation based on cross-gainmodulation in a semiconductor optical amplifier”,加拿大渥太华大学的姚建平等人又提出，将低重复率的类高斯脉冲串，通过电光强度调制器调制技术得到相应为相位信号，通过将信号和另外一个波长的光同时输入半导体光放大器产生了反向的强度信号，经过延时的时域的错开组合得到了相应的UWB信号，但是只能产生还有开关键控（OOK）的数据。 

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种三维调制超宽带信号的方法，能够有效的提升系统的带宽和产生UWB信号的维度。 

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤： 

1）由脉冲信号源（Pattern pulse generator，PPG）产生四路数据脉冲信号，每路数据脉冲信号经过预编码处理使得第一数据脉冲信号和第三数据脉冲信号的电压幅度高于第二数据脉冲信号和第四数据脉冲信号的电压幅度；然后分别将第一数据脉冲信号和第二数据脉冲信号进行叠加、将第三数据脉冲信号和第四数据脉冲信号进行叠加并形成两组叠加信号； 

2）将叠加信号分别经过放大后及相位偏置处理后加载至双驱动马赫-曾德尔调制器的两端，使得双驱动马赫-曾德尔调制器输出相干叠加后的三个维度的UWB信号。 

所述的相位偏置处理是指：通过调节两组叠加信号的偏置使得双驱动马赫-曾德尔调制器的两端上加载的信号之间相位差为π/2。 

所述的三个维度的UWB信号为： 

$>\frac{E_i^2}{2}\left\{{\mathrm{Data}}_{\mathrm{amplitude}}\cos \right\{{\mathrm{Data}}_{\mathrm{phase}}\frac{\mathrm{A\pi }}{V_{\pi }}[S\left(t\right)-S(t-\tau )]\left\}\right\}{\mathrm{Data}}_{\mathrm{position}},$>其中：E_i为输入的电功率，Data_amplitude为信号传递的幅度信息；Data_phase信号传递的相位信息；Data_amplitude为信号传递的位置信息，该UWB信号包括：预编码信号位置决定的脉冲位置调制信号，同时通过正向反向脉冲相对位置决定的脉冲相位调制信号，通过UWB信号脉冲幅度决定的脉冲幅度调制信号。 

所述的预编码处理具体是指：将要调制的信号每相邻的四个比特分为一组，然后查找表格得到相应信号的8个bit信息，从而得到相应的预编码信号。 

本发明涉及一种实现上述方法的装置，包括：激光器、双驱动马赫-曾德尔调制器、脉冲信号发射源、加法器、放大器、偏置控制器、偏振控制器和接收机。其中：激光器发生光载波经过偏振控制器传输至双驱动马赫-曾德尔调制器，脉冲信号发射源产生四路经过预编码处理数据使得第一数据脉冲信号和第三数据脉冲信号的电压幅度高于第二数据脉冲信号和第四数据脉冲信号的电压幅度，第一数据脉冲信号和第二数据脉冲信号、第三数据脉冲信号和第四数据脉冲信号分别经过加法器得到两组叠加信号，两组叠加信号分别经过放大器和偏置控制器传 输至双驱动马赫-曾德尔调制器，双驱动马赫-曾德尔调制器输出三个维度的UWB信号至接收机。 

与现有技术相比，本发明通过简单的单波长光和双驱动马赫-曾德尔调制器就能产生含有三个维度的UWB信号，从而可以在符号率不变的情况下大大的提升系统所传输的数据率。 

附图说明

图1为本发明的原理示意图； 

图2为本发明波形示意图； 

图中：(i)-(iv)为加载在双驱动马赫-曾德尔调制器两个射频端口的4个不同的信号的波形和叠加波形，(v)为调制到光信号上的相位信息和输出端的叠加相干输出示意图； 

图3为三个维度信号UWB信号波形，三个维度的各自信息和对应的比特信息和其对应的四路信号的比特序列； 

图4为实施例1中叠加后生成的两路电信号； 

图5为在不同时域尺度下传输前和传输后信号的波形图； 

图6为实施例1中产生信号的三维UWB信号电频谱； 

图7为实施例1中产生的三维UWB信号波形对应的位置、相位和幅度信息。 

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。 

实施例1 

本实施例的方法具体是：首先由脉冲信号源产生四路数据脉冲信号，即图1中所示的数据1、数据2、数据3和数据4，各个信号经过预编码处理使得第一数据脉冲信号和第三数据脉冲信号电压幅度高于第二数据脉冲信号和第四数据脉冲信号的电压幅度，第一数据脉冲信号和第二数据脉冲信号进行叠加，第三数据脉冲信号和第四数据脉冲信号进行叠加，形成两组叠加信号且分别经过放大后及相位偏置处理后加载至双驱动马赫-曾德尔调制器的两端，使得双驱动马赫-曾德尔调制器输出相干叠加后的三个维度的UWB信号。 

所述的相位偏置处理是指：通过调节两组叠加信号的偏置使得双驱动马赫-曾德尔调制器的两端上加载的信号之间相位差为π/2。 

所述的三个维度的UWB信号包括：预编码信号位置决定的脉冲位置调制信号，同时通过正向反向脉冲相对位置所携带的相位信息决定了脉冲相位调制信号，再通过UWB信号脉冲幅度决定的脉冲幅度调制信号。 

所述的预编码处理具体是指：将传递的信号每相邻的四个比特分为一组，然后按照查 找表格的到相应信号的8个bit信息，从而得到相应的预编码信号。 

如图1所示，本实施例使用的装置包括：激光器1、双驱动马赫-曾德尔调制器2、脉冲信号发射源（未示出）、加法器3、放大器4、偏置控制器5、偏振控制器6、接收机7。其中脉冲信号发射源可以产生四路数据均为10GHz的高斯脉冲，同时每个信号进行相应的预编码处理，四个信号中第一数据脉冲信号和第三数据脉冲信号有高的电压幅度，同时第二数据脉冲信号和第四数据脉冲信号有低的电压幅度。第一数据脉冲信号和第二数据脉冲信号有不同的电压幅度，然后进行叠加，再通过射频驱动放大器4的放大，再接着经由偏置控制器5调制双驱动马赫-曾德尔调制器2的射频第一端口。与此同时第三数据脉冲信号和第四数据脉冲信号采用同样的技术将组合后的数据加载到射频第二端口，通过合理的调节叠加后的两路数据的幅度，可以双驱动马赫-曾德尔调制器2的两端分别产生一个π/2的相位调制信号，与此同时通过调节两个偏置控制器5使上下两路信号间的相移达到π/2，因此两个信号在双驱动马赫-曾德尔调制器2中干涉合路会产生相应的强度信号，从而得到三个维度的UWB信号。信号经过光纤传输后可以被接收机7检测，得到相应的电信号。从而通过全光的技术产生了三维的UWB信号。 

所述的激光器1是一种能产生窄线宽的光载波的激光器1，可以用于将电的信号调制到光域。 

所述的双驱动马赫-曾德尔调制器2是一种双驱动的调制器，调制器上下两臂分别由一个相位调制器构成。两端分别可以分别在不同的外部电信号的驱动下进行相位调制，然后在输出处，两路相位调制信号进行干涉从而得到输出的三个维度的电信号。 

所述的传输光纤是一段长度约为25km的标准单模光纤，它的损耗衰减系数为0.2dB/km。 

所述的调制驱动放大器4是调制驱动放大器4，可以将电信号的幅度进行相应的放大得到需求的幅度。 

所述的偏置控制器5是一种可以在放大后的射频信号上加载上一个直流的偏置信号，用与控制输出信号的据对相移和两路信号间的相对相移。 

所述的光接收机7用于将光上面产生的UWB信号转换到电域，实现光电转换。 

如图1所示，产生三个维度UWB信号的基本原理，激光器1输出的光经过双驱动马赫-曾德尔调制器2的光电调制可以在不同的四路信号叠加两路信号的驱动下，结合调节两个偏置电压和对于各个信号进行合理的预编码，可以在双驱动马赫-曾德尔调制器2的相干输出端口得到相应的含有三个维度的超宽带调制信号，经过接收机7可以得到相应的电信号。 

如图2所示，四路预编码信号波形，图2中i所示第一数据脉冲信号和第二数据脉冲信号叠加后进行放大，同时图2中ii所示第三数据脉冲信号和第四数据脉冲信号也进行同样的处理，图2中iii、图2中iv所示，经过放大两路信号在双驱动马赫-曾德尔调制器2的两个端口可以分别得到 最大相移为π/2的相位调制信号。控制两路间的相移，可以的使两端的相对相移达到π/2，因此干涉输出得到图v所示相应的含有三个维度信息的UWB信号。在图中A对应高电平信号的最大幅度，B代表了低电平电信号的最大幅度。最终的单个UWB信号可以表示为： $>\frac{{E_i}^2}{2}\left\{{\mathrm{Data}}_{\mathrm{amplitude}}\cos \right\{{\mathrm{Data}}_{\mathrm{phase}}\frac{\mathrm{A\pi }}{V_{\pi }}[S\left(t\right)-S(t-\tau )]\left\}\right\}{\mathrm{Data}}_{\mathrm{position}}$>其中Ei为输入的电功率，Data_amplitude为信号传递的幅度信息，可以取A或者B，对应比特1和比特0；Data_phase信号传递的相位信息，可以取1或者-1对应比特1和比特0；Data_amplitude为信号传递的位置信息，可以取‘01100000’,‘00110000’,‘00011000’,和‘00001100’，对应比特00,01,10，和11，或者-1对应比特1和比特0； 

如图3所示，每种不同UWB波形在8个时间间隔的符号周期中对应的三个维度的信息，其中UWB信号可以分别在图中给出的4个位置出现，分别对应：‘01100000’,‘00110000’,‘00011000’,和‘00001100’。同时UWB脉冲的幅度高和低分别对应1个比特的数据，再者UWB脉冲的相位可以传递一个比特的相位信号。 

如下表所示，在16中不同的传输比特序列中每路数据对应的脉冲位置，图中的数据给出了‘1’在8个比特的周期中的位置，根据不同的传输比特可以经由此图得到相应的四路脉冲的数据。例如对于比特序列‘0000’,第一数据脉冲信号,第二数据脉冲信号,第三数据脉冲信号和第四数据脉冲信号分别是‘00000000’,‘01000000’,‘00000000’和‘00100000’。 

如图4所示，由脉冲信号发射源产生10GHz重复率的含有第一数据脉冲信号-第四数据脉冲信号的四个不同的信号经过两两叠加后分别通过偏置控制器5调制到双驱动马赫-曾德尔调制器2的两端，10GHz的单独比特‘1’近似的可以认为类高斯脉冲信号。调制后的光信号经过单模光纤的传输，然后信号通过接收机7将光信号转换成电的三维超宽带信号。 

如图5所示，第一数据脉冲信号和第二数据脉冲信号叠加，第三数据脉冲信号和第四数据脉冲信号叠加后得到的信号波形，经过图2中的预编码处理，可以在驱动双驱动马赫-曾德尔调制器2的两端的时候产生相应的三个维度调制的UWB信号。 

如图6所示，左边a为信号b-t-b，右边b为传输25km的波形图，其中时间尺度分别为1000ps/div,500ps/div和200ps/div。 

如图7所示，经过电谱分析仪设备得到的三维UWB信号的电谱，产生的UWB信号中心波长是3.5GHz，10dB带宽为5.7GHz，从1.2GHz到6.9GHz，因此信号的相对10dB带宽大约为163%。 

如图7所示，产生三维UWB波形对应的三个维度的信号比特，UWB脉冲对应的脉冲位置信号为‘10’,‘10’,‘11’,‘00’,‘01’和‘00’。与此同时通过信号幅度和相位调制信号传输的比特为‘11’,‘01’,‘00’,‘11’,‘01’和‘10’。因此每个三维的UWB信号脉冲对应的信号比特分别是‘1011’,‘1001’,‘1100’,‘0011’,‘0101’和‘0010’。